莫罹，黃霞
(清華大學環境科學與工程系，北京100084)

　　摘　要：采用0.1 μm的微濾膜處理微污染原水，出水濁度＜1 NTU，對高錳酸鹽指數(OC)的去除 率為20%左右，運行穩定后對UV₂₅₄去除率＞40%。通過考察膜過濾阻力在膜抽—停周期內的變化來選擇充分的曝氣時間。在連續運行中發現，膜過濾性能由于膜的污染而 先有一快速降低段，之后隨時間增加緩慢下降。通過對膜的清洗的長期運行試驗發現，曝氣 清洗不能完全清除膜污染，而用次氯酸鈉和鹽酸清洗則較為有效。
　　關鍵詞：微濾膜；微污染原水；膜污染；清洗
　　中圖分類號：X505
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)04-0040-04

1　試驗裝置與方法

1.1試驗流程
　　試驗流程見圖1。?

　　微濾膜采用日本三菱公司生產的聚乙烯中空纖維膜，孔徑為0.1μm，膜絲內徑為0.27 mm，外徑為0.42 mm，膜面積為1m²，直接置入過濾水槽中。膜組件下設有曝氣管。
　　原水被泵入過濾水槽后，在抽吸泵的作用下經膜過濾后出水。膜組件采用間歇運行(抽吸30 min，然后停抽幾分鐘)方式。曝氣系統在膜抽吸期間停止運行，而在膜停抽期間啟動以清除抽吸階段膜表面形成的沉積物。為保持過濾水槽內的水位恒定，采用HP75000工控機根據水槽內的液位控制進水泵的開停。試驗裝置處理能力約為0.5 m³/d。
1.2　原水水質
　　原水取自清華大學校內河水，用自來水稀釋使之在一般微污染原水水質范圍內［高錳酸鹽指數(OC)為2～7 mg/L，濁度＜6 NTU］。試驗期間原水水質如表1所示。

表1　原水水質? 水質指標 水溫(℃) 濁度(NTU) OC(mg/L) UV₂₅₄(cm^-1) pH 平均值 23.9 3.18 4.87 0.018 7.60 波動范圍 22.3～25.0 1.78～?5.72 3.07～6.65 0.013～0. 025 7.22～8.00

2　試驗結果與討論

2.1　對濁度的去除
　　 采用微濾膜直接過濾對濁度的去除效果見圖2。

　　 從圖2可以看到，盡管進水濁度波動較大，但膜出水濁度＜1 NTU，對濁度的去除率＞90%。 ?
2.2　對有機物的去除?
　　有研究表明，天然水體中的溶解性有機物主要由腐殖質、蛋白質、多糖等組成，其中以腐殖 質為主(約占50%)^［1］。典型的腐殖質在化學結構上多含有苯環、羧基、醇羥基、酚羥基，而含有苯環結構或者含共軛雙鍵的不飽和有機化合物在紫外范圍有吸收，因此紫外光在254 nm波長處的吸光度常用來間接地表示水中以腐殖質為主的溶解性有機物含量。 ?
　　微濾對原水OC和UV₂₅₄的去除效果見圖3、4。?

　　從圖3、4可以看出，微濾膜對OC的去除率為3%～35%(平均為21%)。待膜過濾操 作達到穩定時，微濾對UV₂₅₄的去除率為40%～53%(平均為46%)。據報道，超濾和微濾對有機物的去除率一般在20%以下，這與筆者的研究結果基本吻合。在裝置運行100 h期間，發現初期微濾膜對UV₂₅₄的去除率幾乎為零，但隨運行時間的增加其去除率逐漸增大并趨于穩定。
　　由上述結果可知，微濾膜直接過濾微污染原水能有效地去除濁度，但對有機物的去除效率不高，因此對于有機污染較為嚴重的水體僅采用微濾膜直接過濾去除有機污染物是不夠的，必須考慮與其他工藝組合使用。
2.3　膜過濾性能的變化
　　①過濾性能的表征
　　衡量膜過濾阻力的變化，一般可采用恒定膜通量考察膜過濾壓力在過濾過程中的變化或采用 恒定膜過濾壓力考察膜通量的變化。在試驗中由于過濾壓力和膜通量都在變化，上述兩種方 法均難以應用。因膜過濾阻力與ΔP/J(ΔP為膜抽吸壓力，J為膜通量)成 正比，而ΔP/J的變化反映了膜過濾阻力R的變化，且用J/ΔP表示膜 過濾性能更直觀(該值越大，膜的過濾性能越好；反之亦然)。因此試驗中采用J/ΔP作為膜過濾性能的表征指標。
　　②停抽時間對膜過濾性能的影響
　　試驗中膜組件以間歇運行方式清除抽吸段逐漸形成的膜表面沉積物。為考察停抽(即曝氣時間)對膜過濾性能的影響，曝氣時間改變為1、3和5 min，膜過濾阻力在一個抽—停周期 內的變化結果如圖5所示。在試驗中選擇膜通量為20L/(m²·h)，抽吸段時間為30 min。
　　圖5的縱坐標為某時刻的膜過濾阻力R與該抽—停周期初始膜過濾阻力R0的比值。由于試驗過程中數據是以等間隔時間來測定的，因此在抽吸30 min處沒有直接的測 定數據，圖中該處數據是由抽吸段膜阻力的上升趨勢外推得到的。

　　從圖5可見，在抽吸段隨運行時間的延長膜過濾阻力增加，在抽吸段結束時膜過濾阻力約增加了50%；進入停抽曝氣段，曝氣1 min膜過濾阻力就下降了很多(約為初始膜過濾阻力的1.1倍)，膜過濾性能得到很大程度的恢復；延長曝氣時間可使膜過濾性能進一步恢復，當曝氣達到5min時膜過濾阻力已經與膜初始過濾阻力相差很小。據此可以認為在抽吸段形成的膜表面沉積物可以通過曝氣來清除，曝氣5 min足可以使膜的過濾性能基本恢復。為此在以下試驗中，膜的過濾操作采用30 min抽吸、5min停抽曝氣的模式。
　　③連續運行條件下膜過濾性能的變化
　　以30 min抽吸、5 min停抽并曝氣的方式連續運行，扣除中途由于設備關系暫時停止運行的時間(兩周以上)，考察了其間膜過濾性能的變化。?
　　在連續運行過程中需要考慮水溫波動對試驗結果的影響。有研究表明，水溫的升高有利于膜的過濾分離，溫度升高1 ℃可引起膜通量增大2%^［2］。為消除由于溫度變化而非膜污染帶來的影響，在該試驗中將膜通量轉換成20 ℃下的通量值^［3］。
　　連續運行條件下膜過濾性能的變化如圖6所示，用通量/壓力(J/ΔP)來表征膜過濾性能的變化。

　　從圖6可見，在連續運行條件下膜過濾性能的變化分為兩個階段：前50h內膜過濾性能隨時間下降很快(表現為膜通量變化不大)，主要是過濾壓力不斷增加導致J/ΔP迅速下降；之后膜過濾性能下降緩慢。有研究發現，在過濾初期膜即會受到污染，而為保持穩定的膜通量，膜的過濾壓力會有一迅速增加的階段，這一階段的膜污染主要是膜孔被小分子物質阻塞所致^［4］。這個過程可描述為：抽濾開始，小分子物質主要受到兩種力的作用，一是由膜表面向膜孔內的抽吸力；二是由膜表面向主流側的Brownian擴散^［4］。抽吸剛開始時抽吸力較擴散作用大，小分子物質向膜孔運動，一方面造成 膜孔阻塞逐步加重，使得膜過濾阻力增加，粒子所受的抽吸作用力減小；另一方面使小分子 物質在膜表面的濃度升高，由膜面向主流方向的擴散作用增強。經歷了兩個作用力變化的動態過程之后，兩個作用力達到平衡，形成了較為穩定的膜污染層，即進入膜污染緩慢增長階段。在這一階段，過濾性能隨時間緩慢下降。?
　　參考圖4可以看到對UV₂₅₄的去除效果也有類似的變化趨勢。運行24 h時對UV₂₅₄的去除幾乎為0；運行48h后，去除率增加到4%；而在以后的運行期間對UV₂₅₄的去除率基本保持在40%～50%左右。可以推測，在膜初始運行階段膜面較為清潔，其對溶解性小分子污染物質的去除非常少，而隨著運行時間的增加，由于污染物在膜面上的積累和對膜孔的堵塞使得膜對小分子物質的截留能力增強，相應地對有機物去除率就會有所增加。此時，膜的截留性能由膜孔及其表面的污染層共同決定。?
　　④膜的清洗
　　經過一段時間的運行膜受到了污染，其過濾性能就會下降。與新膜相比，累計連續運行了約14d以后的舊膜過濾阻力明顯上升。為了尋找去除膜面污染物和恢復膜過濾性能的方法，通過曝氣5、24和95 h在膜面形成較為劇烈的湍流來沖刷膜表面以清除污染層。對曝氣清洗過后的膜進行清水過濾試驗，并與初始新膜的清水過濾效果比較以考察膜過濾性能的恢復情況 (見圖7)。

　　從圖7中可以看出，曝氣清洗后膜的過濾性能與清洗前相差不大，而與新膜相差較大，說明光靠曝氣清洗不足以清除在長期運行過程中積累在膜表面上的這部分污染物，同時也間接表 明間歇運行模式采用的停抽段曝氣時間已經足夠長，通過曝氣可去除的部分膜污染已得到充分的清除。
　　鑒于上述結果，進一步采用化學方法來清除膜污染。考慮到微污染原水的水質特點(可能包括無機物、有機物形成的污染層，也會有一些微生物造成的污染)，故先用次氯酸鈉清洗，然后用鹽酸清洗。從圖7可見，化學清洗有效地去除了大部分膜污染，膜的清水過濾性能有了較大的恢復。極小部分很難被清除的膜污染物，可能是因為長期運行而造成的膜材質本身的惡化。

3　結論

　　①微濾膜處理微污染原水采用間歇抽吸的方式，在停抽段充分的曝氣時間能夠有效地清洗在抽吸階段積累在膜表面的污染層。?　②連續運行初期(約50h)由于膜污染使膜過濾阻力上升明顯，之后則隨時間延長而緩慢降低。
　　③長期運行中形成的膜污染不能完全由曝氣清洗來清除，而用次氯酸鈉和鹽酸清洗能夠較 為有效地清除這部分膜污染。
　　④微濾膜可以直接應用在以除濁為主要目的的水處理工藝中，經膜過濾后的出水濁度＜1 NTU且不受進水濁度變化的影響。
　　⑤微濾膜可去除部分有機物，對OC去除率為20%左右，運行穩定后對UV₂₅₄去除率＞40%。

參考文獻：

　　 ［1］ Menahem R，Michael Lurie.Control of organic matter by coagulation and floc separation［J］.Wat sci tech，1993，27(11)：1-20.
　　［2］ 黃霞,桂萍.膜生物反應器廢水處理工藝的研究進展［J］.環境科學研究,1998,11(1)：40-44.
　　［3］ Braghetta A,Jacangelo J G,et al.DAF pretreatment:its effect on MF performance［J］.Journal AWWA,1997,89(10)：90-101.
　　［4］AWWA Membrane technology research committee.committee report:membrane processes ［J］.Jour AWWA,1998,90(6)：91-105.

　　電　　話：(010)62772838(O)62785694(黃霞)
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　　收稿日期：2001-09-08